JP2009127423A - 水素エンジンを用いる発電システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンによって駆動される発電機の回転数が、発電停止時に最高許容回転数を超えてしまうような事態を簡単な制御によって確実に防止する。
【解決手段】燃料として水素を使用するエンジン１によって、発電機２が駆動される。発電機２による発電の停止指令があったときは、発電機２に対して発電を停止させる制御を行うと共に、発電機２の回転数上昇が抑制されるように、エンジン１の点火時期を通常運転時に比して大きく進角させた状態で燃焼を実行させる制御を行なう（エンジンを逆回転させる方向の逆トルクを発生させる）。
【選択図】 図３

Description

本発明は、水素エンジンを用いる発電システムの制御装置に関するものである。

環境問題が高まる中、排気ガスがクリーンとなる水素を燃料とするエンジン、つまり水素燃料エンジンが着目されている。特許文献１には、水素燃料エンジンと水素燃料エンジンによって駆動される発電機とを搭載したハイブリッド車が提案されている。また、特許文献２には、エンジンによって発電機を駆動する一般的なコージェネレーションシステムが提案されている。
特開２００６−３０６３８０号公報 特開２００６−２６６５７８号公報

コージェネレーションシステムにおいて、発電機を駆動するためのエンジンを、水素燃料エンジンとすることが考えられている。この場合、発電機の発電量は、使用する電力に応じて適宜変更する必要性から、発電機の発電量を制御する発電機制御手段が設けられる。また、エンジンは、燃費等の観点から、発電量の変化に応じて、もっとも効率のよい定回転数運転を行うことが好ましいものとなる。すなわち、発電機の最高許容回転数が例えば３５００ｒｐｍに設定されている場合に、水素燃料エンジンは例えば３０００ｒｐｍ付近での定回転数運転を行うことが望まれ、このため、発電量の変化に応じて水素燃料エンジンの運転状態を変更するエンジン制御手段が設けられることになる。

ところで、発電の停止指令があった場合には、発電量が０になるように発電機が制御される一方、エンジンに対する燃料供給も停止されることになる。しかしながら、発電機での発電停止によって、エンジンに対する負荷（発電負荷）が急激に小さくなる（事実上０になる）ことから、エンジンの回転数が一時的に吹き上がってしまい（エンジン回転数の急激な上昇）、このため、発電機の回転数がその最高許容回転数を超えてしまうという問題を生じやすいものとなる。このような問題は、特に、発電機がエンジンの出力軸に直結されている場合に生じやすいものとなる。

発電停止時に、発電機の回転数が最高許容回転数を超えてしまう事態を防止するために、例えば、エンジンと発電機との連結経路中に電磁クラッチを介在させて、発電停止の直前に電磁クラッチを切断する制御を行うことも考えられる。しかしながら、この場合は、別途電磁クラッチが必要となる他、発電停止の直前に電磁クラッチを確実に切断する特別な制御手段が別途必要になり、システムの複雑化やコスト等の観点からは好ましくないものとなる。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、エンジンによって駆動される発電機の回転数が、発電停止時に最高許容回転数を超えてしまうような事態を簡単な制御によって確実に防止できるようにした水素エンジンを用いる発電システムの制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあっては、次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
燃料として水素を使用するエンジンの出力軸に連結された発電機の発電量を制御する発電機制御手段と、前記発電機の発電量に応じてエンジンの運転状態を制御するエンジン制御手段と、を備えた水素エンジンを用いる発電システムの制御装置であって、
前記発電機による発電の停止指令があったときは、前記発電機制御手段は前記発電機の発電を停止させる制御を行う一方、前記エンジン制御手段は該発電機の回転数上昇が抑制されるようにエンジンの点火時期を通常運転時に比して進角させた状態で燃焼を実行させる制御を行う、
ようにしてある。

上記解決手法によれば、発電停止指令があったときは、点火時期の進角によって、逆転方向に駆動する燃焼トルクつまり逆トルクが発生されて（エンジンにブレーキがかけられることになって）、水素燃料エンジンの一時的な吹き上がりが確実に防止され、これにより発電機の回転数が最高許容回転数を超えてしまう事態が確実に防止されることになる。なお、水素は、極めて着火し易いという特性を有するため、点火時期を十分に進角させても（圧縮圧力が十分確保されていなくても）着火可能であり、逆トルクを発生させるようなタイミングでの燃焼を得ることが可能である。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２以下に記載のとおりである。すなわち、
前記エンジンが、燃料としての水素が直接気筒内に噴射される直噴式とされ、
前記エンジン制御手段は、前記発電機による発電が停止された後も、点火時期を進角させた状態でもって所定期間燃料噴射を継続させる、ようにしてある（請求項２対応）。この場合、発電の停止指令から所定期間は燃料噴射を継続させることにより、点火時期を進角させた状態での燃焼を確実に得て、発電機の回転数が最高許容回転数を超えてしまう事態をより一層確実に防止する上で好ましいものとなる。

前記エンジン制御手段は、前記発電の停止指令の直前における発電量が所定量以上であることを条件として、点火時期を進角させる制御を行う、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、発電の停止指令直前の発電量が所定量よりも小さいときは、発電停止に起因するエンジンの一時的な吹き上がり現象は生じにくいあるいは生じたとしてもわずかな回転数上昇ですむことになるので、この場合は点火時期を進角させた状態での燃焼実行を不必要に行うことを避けることができる。すなわち、エンジンにブレーキをかけるような点火時期を進角させた状態での燃焼実行は、エンジンへの負担が大きくなるので、このようなエンジンへの負担を極力避けることができる。また、発電の停止指令直前の発電量が所定量以上のときは、エンジンの吹き上がり度合も大きくなって、発電機の回転数上昇が最高許容回転数を超えてしまう可能性が高くなるので、この場合は点火時期を進角させた状態での燃焼を実行させて、発電機の保護を確実に行うことができる。

前記エンジン制御手段は、前記発電の停止指令の直前における発電量が大きいほど点火時期の進角度合が大きくなるように制御する、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、エンジンを停止させる方向に作用する燃焼トルクの大きさを、発電の停止指令の直前における発電量の大きさに応じて適切な大きさに設定して、発電機の回転数が最高許容回転数を超えないようにしつつ、エンジンへの負担を極力小さいものにする上で好ましいものとなる。

本発明によれば、水素燃料エンジンにおける点火時期調整という極めて簡単な制御によって、発電の停止指令があったときに発電機の回転数が最高許容回転数を超えてしまうことを確実に防止することができる。

図１において、１は水素を燃料とするエンジンであり、実施形態ではバンケル型のロータリピストンエンジンとされている。このエンジン１によって発電機２が駆動されるようになっており、実施形態では、エンジン１（の出力軸）に発電機２（の入力軸）が直結された連結構造とされている（エンジン１と発電機２とが同一回転数でもって回転される）。これにより、エンジン１を運転することにより発電機２が駆動されて発電が行われ、発電機２での発電量の大きさは、発電機２のフィールドコイルへ流す電流の大きさを変更することにより変更される（発電量が０から最大発電量までの間で変更される）。そして、発電機２で発電された発電電力は、インバータ３を介して出力される（各種電気機器類へ供給される）。なお、エンジン１は、燃料としての水素が直接気筒（作動室）内に噴射される直噴式とされており、その燃料噴射タイミングは、吸気行程にある気筒が吸気ポートとの連通が遮断された後のタイミングに設定されている。

図１において、４は、貯湯槽である。貯湯槽４内の湯水は、熱交換器５を介して、エンジン１で発生される高熱と熱交換されて、高温化される。すなわち、熱交換器５は、エンジン１の冷却水が循環される一方、貯湯槽４内の湯水が循環されるようになっている（循環のためのポンプは図示略）。貯湯槽４内のお湯は、給湯用ポンプ６によって給湯器７に供給され、また、暖房用ポンプ８によって床暖房器９（床面下に敷設された熱交換器）に対して循環される。なお、給湯器７によって消費された分の湯水量が、貯湯槽４へ新たに給水される。

図２は、エンジン１と発電機２とを制御する制御系統をブロック図的に示すものである。この図２において、Ｕはマイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラ（制御ユニット）であり、エンジン制御手段と発電機制御手段とを構成する。このコントローラＵには、スイッチＳ１からの信号の他、各種センサＳ２〜Ｓ４からの信号が入力される。スイッチＳ１は、マニュアル操作されるもので、発電機２での発電を要求するときにＯＮとされ、発電不要なときにＯＦＦされる。そして、このスイッチＳ１がＯＦＦされたときが、発電機２の発電を停止する指令信号の発生時となり、このときにエンジン１の吹き上がりが生じやすい状況となる。センサＳ２は、インバータ３を介して電力が供給される各種電気機器類の使用状況を検出する複数のセンサからなり、発電機２に対する要求発電量に関するパラメータを検出するものである。センサＳ３は、給湯器７での使用量（給湯要求量）を検出するものである。センサＳ４は、床暖房の要求情報を検出するものである。

コントローラＵは、次のような各種機器類の制御を行う。すなわち、コントローラＵは、発電機コントローラ１１に対して、センサＳ２からの信号に基づいて決定される要求発電量を出力する（発電機コントローラ１１が、要求発電量となるようにフィールドコイルへの電流を制御する）。また、コントローラＵは、エンジン１における燃料噴射弁１２とスロットル弁１３と点火プラグ１４とを制御する。燃料噴射弁１２の制御は、燃料噴射量および燃料噴射時期の制御となり、スロットル弁１３の制御は吸入空気量の制御となり、点火プラグ１４の制御は点火時期の制御となる。さらに、コントローラＵは、給湯器７の使用状況に応じて給湯用ポンプ６を制御し、また床暖房機９の使用状況に応じて床暖房用ポンプ８を制御する。

次に、図３〜図５を参照しつつ、発電スイッチＳ１がＯＦＦされることによる発電停止の指令があったときに、コントローラＵによるエンジン１の吹き上がり防止の制御、つまり発電機２が最高許容回転数を超えないようにする制御の概要について説明する。なお、実施形態では、発電機２の最高許容回転数は３５００ｒｐｍに設定され、エンジン１は、３０００ｒｐｍ付近での定回転数運転となるように制御される（要求発電量の変更に応じて吸入空気量や燃料噴射量を変更制御することによる定回転数制御）。

まず、コントローラＵは、発電機２による発電を実行している通常運転時においては、エンジン１の点火時期が、例えば、図３ｔ２時点で示すように、上死点直後に設定される。この通常運転時におけるトルクの発生の様子が、図３破線で示され、このトルクはエンジン１を正転方向に駆動するためのトルクとなり、しかもそのピーク値も大きいものとなる。

発電スイッチＳ１がＯＦＦされたときは、コントローラＵは、発電機２での発電を停止させる指令を発電コントローラ１１に対して出力し、これにより発電機２での発電が停止される。発電スイッチＳ１がＯＦＦされたとき、コントローラＵは、点火時期を通常運転時に比して進角させる制御を行ない、この進角された点火時期が図３ｔ１時点で示される。通常運転時からの点火時期の進角の度合はかなり大きいものであり、進角させた状態での燃焼によって得られる燃焼トルクは、エンジン１を逆回転方向に駆動する逆トルクとなるように設定される。この逆トルクによって、正転方向のトルクが大きく減少されて、減少された後の正転方向のトルクが、図３実線で示すように、小さくかつ通常運転時よりも進角された時期にピーク値となる。なお、図３では図示を略してあるが、進角されたｔ１時点での点火の直後の燃焼トルク（逆トルク）は、図３下向きのトルクとなる。

発電停止指令時においては、発電負荷の急減によって、エンジン１の回転数つまり発電機２の回転数が一時的に上昇されるが、前述した逆トルク発生によって、それぞれ最高許容回転数の範囲内に抑制されることになる。すなわち、図４において、ｔ１０時点がスイッチＳ１がＯＦＦされた時点（発電停止のとき）であり、図４中破線が、逆トルクを発生させないときの回転数変化を示し、図４実線が前述のように逆トルクを発生させた場合の回転数変化を示す。この図４から容易に理解されるように、逆トルクを発生させないときは、最高許容回転数を超えてしまうような大きな回転数上昇となるが、逆トルクを発生させることにより、最高許容回転数の範囲内の回転数上昇に抑制することができる。なお、発電停止指令があったときに、燃料噴射を停止したり、点火を停止するという手法も考えられるが、この場合は、エンジン１を強制的に停止させる方向へのトルクが作用しないため（逆トルクを利用していないため）、最高許容回転数を超えてしまうことを確実に防止することは不可能である。

図５は、発電停止指令時におけるより好ましい制御例を示すもので、逆トルクの発生によるエンジン１への負担を極力回避あるいは低減するようにしたものである。すなわち、発電停止指令直前における発電量が小さいときは、燃料噴射の停止や点火の停止の制御を行なうという通常の（一般的な）エンジン停止手法であっても（逆トルクを発生させないでも）、最高許容回転数を超えることがないことから、発電停止指令直前における発電量が小さいときは逆トルク発生を行わないようにする一方、発電停止指令直前における発電量が大きいときは、逆トルクを発生させるようにしてある。より具体的には、あらかじめ最高許容回転数を超えることのない発電量を所定量（しきい値）ｈ１として設定して、発電停止指令直前における発電量が所定量ｈ１よりも小さいときは逆トルクの発生を行わないようにし、所定量ｈ１以上のときにのみ逆トルクを発生させるようにしてある。

以上に加えて、発電停止指令直前における発電量が大きいほど吹き上がりの度合が大きいことから、発電停止指令直前における発電量がｈ１以上であるときには、発電量が大きいほど点火時期の進角の度合が大きくなるようにしてある。このようにして、逆トルクを発生させる機会を低減でき、また逆トルクを発生させる場合でもその大きさを極力必要最小限に抑制することができ、エンジン１の信頼性確保の上で好ましいものとなる。

図６は、前述したようなエンジン１（発電機２）の吹き上がり抑制の制御を行うためのフローチャートを示し、以下このフローチャートについて説明する。なお、図６のフローチャートは、図５に示す制御を実行するようになっている。また、以下の説明でＱはステップを示す。

以上のことを前提として、Ｑ１において、発電スイッチＳ１がＯＮであるか否かが判別される。このＱ１の判別でＹＥＳのときは、Ｑ２において、発電機２に対する要求発電量を読み込むと共に記憶される。この後、Ｑ３において、要求発電量に応じて、発電機２の負荷トルクが制御される（要求発電量となるようにフールドコイルの電流制御）。このＱ３の後、Ｑ４において、エンジン１が定回転数運転となるように制御される（要求発電量の変化に対応して定回転数運転とする制御）。

前記Ｑ１の判別でＮＯのときは、Ｑ５において、発電機２での発電を停止させる。この後Ｑ６において、発電停止の指令直前（Ｑ１の判別でＮＯとなった直前）の発電量が所定量ｈ１以上であるか否かが判別される。このＱ６の判別でＹＥＳのときは、エンジン１つまり発電機２が吹き上がりによって最高許容回転数を超えてしまう可能性が高いときである。このときは、Ｑ７において、燃料噴射を継続しつつ、発電停止指令直前における発電量の大きさに応じた点火時期の進角が行われる（進角された点火時期での点火実行で、逆トルク発生）。このＱ７の処理によって、エンジン１つまり発電機２の回転数が最高許容回転数を超えてしなう事態が確実に防止されることになる。

上記Ｑ７の後は、Ｑ８において、Ｑ７の処理が３サイクル実行されたか否かが判別される。当初は、このＱ８の判別でＮＯとなって、Ｑ７の処理が繰り返される。Ｑ８の判別でＹＥＳのときは、Ｑ９に移行して、燃料噴射の停止と点火の停止が行われて、エンジン１が停止される。上記のように、Ｑ７の処理を複数回（実施形態では３回）実行するのは、逆トルクを３回の燃焼分だけ実行させて、確実に最高許容回転数を超えないようにするためである。なお、Ｑ８で設定されている３サイクルが、逆トルクの発生を継続して行う所定期間に相当する。

前記Ｑ６の判別でＮＯのときは、逆トルク発生が不要なときであり、このときはそのままＱ９に移行する。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。エンジン１は、往復動型エンジンであってもよい。フローチャートに示す各ステップあるいはステップ群で示す機能部分は、その機能を示す名称に手段の文字を付して表現することができる。発電停止指令があったときは、常に点火時期を進角させるようにしてもよく、また点火時期の進角量は、発電停止指令直前の発電量の大きさにかかわらず常に一定値として設定してもよい。エンジン１と発電機２との組み合わせからなるシステムは、家庭用、工場用、自動車用（特にハイブリッド車用）等、その用途は特に限定されないものである。発電停止指令をマニュアル操作される発電スイッチＳ１としたが、発電停止指令が、マニュアル操作でなく、あらかじめ設定した条件が成立したときに自動的に指令するものであってよい。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明の一実施形態を示す全体システム図 本発明の制御系統例を示すブロック図。 点火時期を進角させたときのトルク発生態様を、通常運転時での点火時期の場合と比較して示す図。 本発明による制御によって回転数上昇が抑制される様子を、従来の場合と比較して示す図。 点火時期を進角する領域設定例と、発電量に応じて進角の度合を変更する例を示す図。 本発明の制御例を示すフローチャート。

符号の説明

１：エンジン
２：発電機
４：貯湯槽
５：熱交換器
１１：発電機コントローラ
１２：燃料噴射弁
１４：点火プラグ
Ｓ１：発電スイッチ（発電停止指令用）

Claims (4)

1. 燃料として水素を使用するエンジンの出力軸に連結された発電機の発電量を制御する発電機制御手段と、前記発電機の発電量に応じてエンジンの運転状態を制御するエンジン制御手段と、を備えた水素エンジンを用いる発電システムの制御装置であって、
   前記発電機による発電の停止指令があったときは、前記発電機制御手段は前記発電機の発電を停止させる制御を行う一方、前記エンジン制御手段は該発電機の回転数上昇が抑制されるようにエンジンの点火時期を通常運転時に比して進角させた状態で燃焼を実行させる制御を行う、
   ことを特徴とする水素エンジンを用いる発電システムの制御装置。
2. 請求項１において、
   前記エンジンが、燃料としての水素が直接気筒内に噴射される直噴式とされ、
   前記エンジン制御手段は、前記発電機による発電が停止された後も、点火時期を進角させた状態でもって所定期間燃料噴射を継続させる、
   ことを特徴とする水素エンジンを用いる発電システムの制御装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記エンジン制御手段は、前記発電の停止指令の直前における発電量が所定量以上であることを条件として、点火時期を進角させる制御を行う、ことを特徴とする水素エンジンを用いる発電システムの制御装置。
4. 請求項３において、
   前記エンジン制御手段は、前記発電の停止指令の直前における発電量が大きいほど点火時期の進角度合が大きくなるように制御する、ことを特徴とする水素エンジンを用いる発電システムの制御装置。

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